1. Sobre transferência de calor:

a) O que é transferência de calor e qual é sua força motriz?
b) Quais os mecanismos de transferência de calor e como cada um acontece?
c) Escreva as três leis que descrevem a taxa de transferência de calor para cada um dos três mecanismos de transferência de calor e indique o que cada um dos termos significa.

Passo 1

O enunciado pede para a) definir o que é transferência de calor e sua força motriz, b) descrever os mecanismos de transferência de calor e c) escrever as leis que regem cada um desses mecanismos, explicando o que significa cada termo. Este é um conteúdo de transferência de calor em Engenharia Térmica.

Passo 2

Transferência de calor é o processo de troca de energia térmica entre corpos ou entre regiões de um mesmo corpo devido a uma diferença de temperatura. A força motriz que faz o calor fluir é sempre o gradiente de temperatura, isto é, o fato de existir uma região mais quente e outra mais fria, levando o calor a passar espontaneamente do quente para o frio.

Passo 3

Os três mecanismos de transferência de calor são:
  1. Condução: ocorre em meios sólidos, líquidos ou gases, por interação molecular ou eletrônica, sem deslocamento macroscópico de massa.
  2. Convecção: ocorre em fluidos (líquidos ou gases) por transporte de massa combinado com condução. Pode ser natural (devido ao empuxo causado por variação de densidade) ou forçada (devido a um ventilador ou bomba).
  3. Radiação: ocorre por emissão e recepção de ondas eletromagnéticas, sem necessidade de meio material, governada pela temperatura das superfícies emissoras e receptoras.

Passo 4

As leis de transferência de calor são:
Lei de Fourier (condução):
\dot Q_{\text{cond}} = -\,k\,A\,\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x}
onde \dot Q_{\text{cond}} é a taxa de calor conduzido, k é a condutividade térmica, A é a área de transferência e \mathrm{d}T/\mathrm{d}x é o gradiente de temperatura.
Lei do resfriamento de Newton (convecção):
\dot Q_{\text{conv}} = h\,A\,\bigl(T_{s}-T_{\infty}\bigr)
onde \dot Q_{\text{conv}} é a taxa de calor convectivo, h é o coeficiente de transferência convectiva, A é a área de superfície, T_{s} é a temperatura da superfície e T_{\infty} é a temperatura do fluido distante.
Lei de Stefan–Boltzmann (radiação):
\dot Q_{\text{rad}} = \varepsilon\,\sigma\,A\,\bigl(T_{s}^{4}-T_{\text{amb}}^{4}\bigr)
onde \dot Q_{\text{rad}} é a taxa de calor radiante, \varepsilon é a emissividade da superfície, \sigma é a constante de Stefan–Boltzmann, A é a área emissora, T_{s} é a temperatura absoluta da superfície e T_{\text{amb}} é a temperatura absoluta do ambiente.

Resposta

(a) Transferência de calor é a troca de energia térmica motivada por um gradiente de temperatura, fluindo sempre do mais quente para o mais frio.
(b) Condução (por interação molecular sem transporte de massa), convecção (por transporte de massa de fluidos, natural ou forçada) e radiação (por ondas eletromagnéticas).
(c) \dot Q_{\text{cond}} = -\,k\,A\,\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x}; \dot Q_{\text{conv}} = h\,A\,(T_{s}-T_{\infty}); \dot Q_{\text{rad}} = \varepsilon\,\sigma\,A\,(T_{s}^{4}-T_{\text{amb}}^{4}),
com cada termo conforme explicado acima.

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